Физики обнаружили аномальное поведение фононов при нагревании

Физики Томского государственного университета (ТГУ), Института физики полупроводников СО РАН, НИИ физики ЮФУ, Института металлургии УрО РАН и СПбГУ изучили поведение фононов — квантов колебаний кристаллической решетки — в топологических изоляторах — теллуриде висмута (Bi₂Te₃) и BSTS. Исследователи обнаружили две связанные аномалии: в определенном диапазоне температур частота фононов увеличивалась при нагревании, хотя, предположительно, должна была снижаться, а их спектральные линии, напротив, сужались. Это явление противоречит классическим представлениям о поведении кристаллической решетки. Результаты исследования позволят глубже понять свойства материалов, что в перспективе будет способствовать разработке более эффективных электронных и квантовых устройств, таких как спиновые транзисторы, головки для жестких дисков, топологически защищенные кубиты и другие.

Топологические изоляторы — это уникальные материалы, которые в объемном состоянии ведут себя как обычные изоляторы, но обладают поверхностью, вдоль которой электрический ток может течь, практически не испытывая сопротивления. Благодаря этим свойствам они считаются перспективной основой для энергосберегающей электроники.

Авторы исследовали кристаллическую структуру и динамику решетки пленок теллурида висмута (Bi₂Te₃) и смеси BSTS на основе висмута, сурьмы, теллура и селена (Bi₀,₈Sb₁,₂Te₁,₈Se₁,₂) при различных температурах. Рентгеновская дифракция подтвердила, что с ростом температуры происходит классическое тепловое расширение кристаллической решетки. Однако при температурах ниже температуры Дебая (около –120,15 oC) исследователи зафиксировали две взаимосвязанные аномалии, противоречащие этому расширению.

«Мы обнаружили эффект, противоречащий классической ангармонической теории. Во-первых, несмотря на тепловое расширение кристалла, которое обычно ослабляет межатомные связи и снижает частоту колебаний, частота фононных мод в этом диапазоне температур возрастает. Во-вторых, ширина их спектральных линий при нагревании уменьшается, что свидетельствует об увеличении времени жизни фононов», — рассказал один из авторов исследования, доцент кафедры физики полупроводников физического факультета ТГУ Ниранджан Кумар.

Ученые связывают наблюдаемые эффекты с электрон-фононным взаимодействием — взаимодействием электронов с колебаниями кристаллической решетки. Важную роль, по мнению исследователей, играет резонанс Фано — явление, возникающее при взаимодействии дискретного состояния фонона с непрерывным спектром электронных состояний. В Bi2Te3 это взаимодействие слабее и не приводит к измеримой асимметрии спектра, в BSTS резонанс Фано достигает максимальной величины вблизи температуры Дебая. При дальнейшем повышении температуры когерентная квантовая интерференция ослабевает, и в систему вступает классическое ангармоническое фонон-фононное рассеяние.

«Понимание температурных порогов и механизмов электрон-фононных взаимодействий позволит найти способы контроля этих эффектов, что откроет путь к поддержанию топологической защиты поверхностных состояний при разработке спинтронных устройств, например, элементов спиновой памяти и логики, работающих в реальных тепловых условиях», — отметил Ниранджан Кумар.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации